DE102016209157B4

DE102016209157B4 - Beschichtete gegenstände und verfahren zur herstellung derselben

Info

Publication number: DE102016209157B4
Application number: DE102016209157.3A
Authority: DE
Inventors: Hua-Tzu Fan; Jorge F. Arinez; Alejandro Hernan Plazas Torres
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2016-05-25
Publication date: 2022-12-01
Anticipated expiration: 2036-05-26
Also published as: US10967398B2; DE102016209157A1; US10160005B2; US20160348248A1; US20190118217A1; CN106189821A; CN106189821B

Abstract

Beschichtungsverfahren, umfassend:Bereitstellen eines metallischen Substrats (14);Auftragen einer Grundierungsbeschichtungsvorstufe auf das metallische Substrat (14), wobei die Grundierungsbeschichtungsvorstufe Folgendes beinhaltet:eine Matrix; undeine Vielzahl von Kapseln (24, 24') in der Matrix, wobei jede Kapsel (24, 24') eine Schale (28) und Heilmittel, das von der Schale (28) umgeben ist, beinhaltet und wobei die Kapseln (24, 24') in einer Menge im Bereich von 1 Gew.-% bis 40 Gew.-% eines Gesamt Gew.-% der Matrix vorliegen;Auftragen einer Basisbeschichtungsvorstufe;Auftragen einer Klarbeschichtungsvorstufe; undErhitzen des metallischen Substrats (14), der Grundierungsbeschichtungsvorstufe, der Basisbeschichtungsvorstufe und der Klarbeschichtungsvorstufe i) nach jeder jeweiligen Auftragung oder ii) gleichzeitig, um die Grundierungsbeschichtungs-, Basisbeschichtungs- und Klarbeschichtungsvorstufe zu härten und jeweils eine Grundierungsbeschichtung (16), eine Basisbeschichtung (18) und eine Klarbeschichtung (20) zu bilden;worin die Grundierungsbeschichtung (16) Ultraviolett (UV)-stabil ist und das metallische Substrat (14) an die Basisbeschichtung (18) und die Klarbeschichtung (20) bindet, undworin die Vielzahl der Kapseln (24, 24') eine Mischung aus ersten und zweiten Kapseln (24, 24') beinhaltet, worin die ersten Kapseln (24) ein Alkydharz als ein erstes Heilmittel und die zweiten Kapseln (24') einen Katalysator oder ein Härtungsmittel des Alkydharzes als ein zweites Heilmittel beinhalten oder die ersten Kapseln (24) ein Vinyl-terminiertes Polydimethylsiloxan-Harz als ein erstes Heilmittel und die zweiten Kapseln (24') ein Härtungsmittel des Vinyl-terminierten Polydimethylsiloxan-Harzes als ein zweites Heilmittel beinhalten oder die ersten Kapseln (24) ein Harz mit reaktiven chemischen Gruppen als ein erstes Heilmittel und die zweiten Kapseln (24') ein Polyisocyanat-Harz als ein zweites Heilmittel beinhalten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf beschichtete Gegenstände und Beschichtungsverfahren.
HINTERGRUND
Metallische Gegenstände/Objekte (ein Beispiel davon beinhaltet Fahrzeugkarosserien) können aus verschiedenen Gründen beschichtet werden. Als Beispiel kann eine Beschichtung/können Beschichtungen aufgebracht werden, um den metallischen Gegenstand mit einem ästhetisch ansprechenden Aussehen zu versehen. Als ein anderes Beispiel kann die Beschichtung/können die Beschichtungen aufgebracht werden, um den metallischen Gegenstand mit einer Schutzbeschichtung zu versehen. Die Schutzbeschichtung kann den metallischen Gegenstand vor den Elementen (z. B. Regen, Schnee, Eis usw.) und/oder vor einem Abbau aufgrund von Feuchtigkeit, Salzexposition, Oxidation oder dergleichen schützen.
Herkömmliche beschichtete Gegenstände und Beschichtungsverfahren sind bekannt aus den Druckschriften DE 10 2008 003 392 A1 und DE 10 2004 010 212 A1 .
KURZDARSTELLUNG
Ein erfindungsgemäßes Beschichtungsverfahren umfasst das Bereitstellen eines metallischen Substrats und das Auftragen einer Grundierungsbeschichtungsvorstufe auf das metallische Substrat. Die Grundierungsbeschichtungsvorstufe beinhaltet eine Matrix und eine Vielzahl von Kapseln in der Matrix, wobei jede Kapsel eine Schale und Heilmittel, das von der Schale umgeben ist, beinhaltet und wobei die Kapseln in einer Menge im Bereich von 1 Gew.-% bis 40 Gew.-% eines Gesamt Gew.-% der Matrix vorliegen. Ferner umfasst das Beschichtungsverfahren das Auftragen einer Basisbeschichtungsvorstufe, das Auftragen einer Klarbeschichtungsvorstufe und das Erhitzen des metallischen Substrats, der Grundierungsbeschichtungsvorstufe, der Basisbeschichtungsvorstufe und der Klarbeschichtungsvorstufe i) nach jeder jeweiligen Auftragung oder ii) gleichzeitig, um die Grundierungsbeschichtungs-, Basisbeschichtungs- und Klarbeschichtungsvorstufe zu härten und jeweils eine Grundierungsbeschichtung, eine Basisbeschichtung und eine Klarbeschichtung zu bilden. Die Grundierungsbeschichtung ist Ultraviolett (UV)-stabil und das metallische Substrat bindet an die Basisbeschichtung und die Klarbeschichtung. Die Vielzahl der Kapseln beinhaltet eine Mischung aus ersten und zweiten Kapseln, wobei die ersten Kapseln ein Alkydharz als ein erstes Heilmittel und die zweiten Kapseln einen Katalysator oder ein Härtungsmittel des Alkydharzes als ein zweites Heilmittel beinhalten oder die ersten Kapseln ein Vinyl-terminiertes Polydimethylsiloxan-Harz als ein erstes Heilmittel und die zweiten Kapseln ein Härtungsmittel des Vinyl-terminierten Polydimethylsiloxan-Harzes als ein zweites Heilmittel beinhalten oder die ersten Kapseln ein Harz mit reaktiven chemischen Gruppen als ein erstes Heilmittel und die zweiten Kapseln ein Polyisocyanat-Harz als ein zweites Heilmittel beinhalten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale von Beispielen der vorliegenden Offenbarung werden durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen ähnlichen, obwohl vielleicht nicht identischen, Komponenten entsprechen, hervorgehen. Der Kürze halber können Bezugszeichen oder Merkmale mit einer zuvor beschriebenen Funktion in Verbindung mit anderen Zeichnungen, in denen sie erscheinen, beschrieben sein oder auch nicht.

1 ist eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs mit einer Fahrzeugkarosserie;
2A bis 2C sind schematische Querschnittsansichten eines Teils der in 1 gezeigten Fahrzeugkarosserie, worin die Fahrzeugkarosserie ein metallisches Substrat und Beschichtungen in Übereinstimmung mit einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung beinhält, und worin 2A den Teil vor einer Unterbrechung der Beschichtungen auf einem metallischen Substrat veranschaulicht, 2B die Unterbrechung der Beschichtungen und Freisetzung eines Heilmittels in einer der Beschichtungen veranschaulicht und 2C einen selbst geheilten Teil von der einen der Beschichtungen veranschaulicht;
3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Teils der in 1 gezeigten Fahrzeugkarosserie, worin die Fahrzeugkarosserie ein metallisches Substrat und Beschichtungen in Übereinstimmung mit einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung beinhaltet; und 4 ist ein Ablaufdiagramm von Beispielen der hierin offenbarten Verfahren.

GENAUE BESCHREIBUNG
Metallische Substrate können als Basis für viele Gegenstände verwendet werden, einschließlich Blechtafeln, Werkzeuge, Geräte, Kraftfahrzeugkarosserien oder dergleichen. Metallische Substrate können aus Stahl, Aluminium oder Magnesium gebildet werden. Es kann wünschenswert sein, metallische Substrate aus Ästhetik, Schutz usw. zu beschichten.
Wie bereits erwähnt, können Kraftfahrzeugkarosserien das metallische Substrat beinhalten. Diese metallischen Substrate können mit fünf Schichten oder Beschichtungen beschichtet werden, und zwar: (a) einer Phosphatbeschichtung; (b) einer Elektroabscheidungsbeschichtung (d. h. e-coat); (c) einem Primer; (d) einer Basisbeschichtung; und (e) einer Klarbeschichtung. Die Phosphatbeschichtung fördert die Haftung zwischen den Lackschichten (beispielsweise e-coat, Primer, Basisbeschichtung und Klarbeschichtung) und dem metallischen Substrat (beispielsweise Stahl oder Aluminium). Der e-Coat bietet Korrosionsschutz. Wie hier verwendet, beziehen sich die Begriffe „Elektroabscheidungsbeschichtung“ und „e-coat“ auf eine Beschichtung, die unter Verwendung irgendeines geeigneten Elektroabscheidungsvorgangs oder -prozesses erstellt werden (d. h. einem Antikorrosions-Galvanisierungsbad). Wie hier verwendet, bedeutet der Begriff „Primer“ eine Beschichtung, die in der Lage ist, das metallische Substrat und die anderen Beschichtungen (beispielsweise Phosphatmantel, e-coat, Basisbeschichtung und Klarbeschichtung) gegen ultraviolette (UV-)Strahlung der Sonne oder aus anderen Quellen zu schützen. Der Primer bietet daher der Fahrzeugkarosserie UV-Strahlenbeständigkeit. Wie hier verwendet, bedeutet der Begriff „Basisbeschichtung“ eine polymere Beschichtung, die ein Farbpigment, das der Fahrzeugkarosserie eine Farbe verleiht (beispielsweise rot), beinhaltet. Wie auch hier verwendet, bezieht sich der Begriff „Klarbeschichtung“ auf eine polymere Beschichtung, die der Fahrzeugkarosserie Glanz- und/oder Schutz zur Verfügung stellen kann. Als solches kann die Klarbeschichtung das Aussehen der Fahrzeugkarosserie verbessern und Schutz gegen Kratzer, Umweltelemente usw. zur Verfügung stellen.
In den Beispielen des hierin offenbarten Verfahrens, ersetzt eine einzige Beschichtung (hierin als Grundierungsbeschichtung bezeichnet) die Phosphatbeschichtung, den e-coat, und in einigen Fällen den Primer. Die hierin offenbarte Grundierungsbeschichtung beinhaltet Kern-Schale-Kapseln, die als Kern ein Heilmittel aufweisen. Wenn die Grundierungsbeschichtung beschädigt wird (z. B. durch äußere Kräfte, wie beispielsweise Steinschlag usw.), wird die Schale der Kapsel aufgebrochen. Die Aufbrechung der Schale löst das Heilmittel. Das Heilmittel kann aktiviert werden, wenn es Luft oder einem anderen Heilmittel ausgesetzt wird. Das (Die) aktivierte(n) Heilmittel polymerisieren, härten oder verschließen auf andere Weise wieder die beschädigte Grundierungsbeschichtung. Die Selbstheilungseigenschaft der Grundierungsbeschichtung sorgt für verbesserte Korrosionsbeständigkeit, teilweise weil die verschlossene Grundierungsbeschichtung das darunterliegende metallische Substrat abhält, potenziell korrosiven Elementen ausgesetzt zu sein. Neben der verbesserten Korrosionsbeständigkeit, bietet die hierin offenbarte Grundierungsbeschichtung Haftungsverbesserung und UV-Beständigkeit.
Die hierin vorgesehenen Beispiele beziehen sich auf eine Fahrzeugkarosserie als beschichteten Gegenstand. In diesen Beispielen wird das metallische Substrat mit mehreren Beschichtungen beschichtet, um die Fahrzeugkarosserie zu bilden. Darüber hinaus ist es selbstverständlich, dass die Beispiele des Verfahrens (der Verfahren) der vorliegenden Offenbarung für alle Komponenten und/oder Untersysteme (z. B. Bremssysteme, Aufhängungskomponenten, Motorkomponenten usw.) geeignet sein können, die von einem Korrosionsschutz profitieren können. Ferner ist es selbstverständlich, dass das hierin offenbarte Verfahren (die Verfahren) und Artikel nicht auf eine Fahrzeugkarosserie, Komponenten und/oder Subsysteme begrenzt sind, sondern das Verfahren (die Verfahren) kann zur Beschichtung jedes verwendet werden, und der (die) Artikel kann jedes metallische Objekt sein, für das es wünschenswert ist, den Korrosionsschutz zur Verfügung zu stellen.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Beispiel eines Fahrzeugs 10 schematisch dargestellt. Das Fahrzeug 10 beinhaltet eine Fahrzeugkarosserie 12 und Räder 13, die operativ mit der Fahrzeugkarosserie 12 gekoppelt sind. Ein Reifen 15 ist operativ mit jedem Rad 13 gekoppelt. Obwohl 1 ein Auto zeigt, ist es selbstverständlich, dass das Fahrzeug 10 wahlweise ein Lastwagen, Motorrad oder eine andere Art von Fahrzeug mit einer Fahrzeugkarosserie 12 sein kann.
Ein Beispiel für einen Teil der Fahrzeugkarosserie 12 ist im Querschnitt in 2A gezeigt. In diesem Beispiel beinhaltet die Fahrzeugkarosserie 12 das metallische Substrat 14, die Grundierungsbeschichtung 16 in direktem Kontakt mit dem metallischen Substrat 14, eine Basisbeschichtung 18 in direktem Kontakt mit der Grundierungsbeschichtung 16 und eine Klarbeschichtung 20 in direktem Kontakt mit der Basisbeschichtung 18. Ein weiteres Beispiel für einen Teil der Fahrzeugkarosserie 12' ist im Querschnitt in 3 gezeigt. In diesem Beispiel beinhaltet die Fahrzeugkarosserie 12' das metallische Substrat 14, die Grundierungsbeschichtung 16 in direktem Kontakt mit dem metallischen Substrat 14, einen Primer 22 in direktem Kontakt mit der Grundierungsbeschichtung 16, die Basisbeschichtung 18 in direktem Kontakt mit dem Primer 22 und die Klarbeschichtung 20 in direktem Kontakt mit der Basisbeschichtung 18. In den 2A und 3 ist jede der Komponenten 14, 16, 18, 20, 22 unbeschädigt. Jede der Komponenten 14, 16, 18, 20 und 22 wird weiter in Bezug auf 4 beschrieben werden, die die hier offenbarten Beispiele der Verfahren veranschaulicht. Es ist selbstverständlich, dass auf die 2A und 3 auch während der Diskussion der 4 verwiesen wird.
Unter Bezugnahme auf 4 ist ein Beispiel für das Verfahren 100 zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit des metallischen Substrats 14 dargestellt, und ein Beispiel des Verfahrens 200 zur Beschichtung der Fahrzeugkarosserie 12, 12' dargestellt. Wie dargestellt, beinhaltet das Verfahren 100 einige derselben Schritte, wie das Verfahren 200, und daher werden die Verfahren 100, 200 zusammen diskutiert werden.
Im Allgemeinen beinhaltet das Verfahren 100 das Bilden einer Grundierungsbeschichtungsvorstufe (Bezugszeichen 102), das Auftragen der Grundierungsbeschichtungsvorstufe auf dem metallischen Substrat 14 (Bezugszeichen 104), das Auftragen der Basisbeschichtungsvorstufe (Bezugszeichen 106), das Auftragen der Klarbeschichtungsvorstufe (Bezugszeichen 108) und das Erhitzen des metallischen Substrats 14, der Grundierungsbeschichtungsvorstufe, der Basisbeschichtungsvorstufe und der Klarbeschichtungsvorstufe i) nach jeder jeweiligen Auftragung (Bezugszeichen 105, 107, 109) oder ii) gleichzeitig (Bezugszeichen 110), um die Grundierungsbeschichtungsvorstufe, die Basisbeschichtungsvorstufe und die Klarbeschichtungsvorstufe zu härten und jeweils die Grundierungsbeschichtung 16, die Basisbeschichtung 18 und die Klarbeschichtung 20 zu bilden.
Im Allgemeinen beinhaltet das Verfahren 200 das Bereitstellen des metallischen Substrats 14 (Bezugszeichen 103), das Auftragen der Grundierungsbeschichtungsvorstufe auf dem metallischen Substrat 14 (Bezugszeichen 104), das Auftragen der Basisbeschichtungsvorstufe (Bezugszeichen 106), das Auftragen der Klarbeschichtungsvorstufe (Bezugszeichen 108) und das Erhitzen des metallischen Substrats 14, der Grundierungsbeschichtungsvorstufe, der Basisbeschichtungsvorstufe und der Klarbeschichtungsvorstufe i) nach jeder jeweiligen Auftragung (Bezugszeichen 105, 107, 109) oder ii) gleichzeitig (Bezugszeichen 110), um die Grundierungsbeschichtungsvorstufe, die Basisbeschichtungsvorstufe und die Klarbeschichtungsvorstufe zu härten und jeweils die Grundierungsbeschichtung 16, die Basisbeschichtung 18 und die Klarbeschichtung 20 zu bilden. Das Verfahren 200 kann auch mit der Bildung der Grundierungsbeschichtungsvorstufe beginnen, wie bei Bezugszeichen 102 gezeigt.
Es ist selbstverständlich, dass in anderen Beispielen der hier offenbarten Verfahren 100, 200, die Härtung der Grundierungsbeschichtungsvorstufe, der Basisbeschichtungsvorstufe und der Klarbeschichtungsvorstufe, um jeweils die Grundierungsbeschichtung 16, die Basisbeschichtung 18 und die Klarbeschichtung 20 zu bilden, durch andere Verfahren als Erhitzen erreicht werden kann. In einem Beispiel können die Grundierungsbeschichtungsvorstufe, die Basisbeschichtungsvorstufe und die Klarbeschichtungsvorstufe formuliert werden, um durch Lufttrocknung bei Raumtemperatur (von etwa 20 °C bis etwa 25 °C) ohne Erhitzen gehärtet zu werden (zum Beispiel wenn längere Härtungszeiten akzeptabel sind).
Die Bildung der Grundierungsbeschichtungsvorstufe wird nun beschrieben. Die Grundierungsbeschichtungsvorstufe ist eine Vorstufe zur Grundierungsbeschichtung 16. In den hier offenbarten Beispielen, kann die Grundierungsbeschichtung 16 eine Sol-Gelbeschichtung, oder eine Beschichtung, die durch ein Sol-Gel-Verfahren gebildet wird, sein. Während des Sol-Gel-Verfahrens, werden Nanopartikel, die in einer flüssigen Lösung (d. h. in einem Sol) suspendiert sind, aufgerufen, sich zu verbinden/agglomerieren und ein kontinuierliches, poröses Nanostruktur-Netzwerk von Partikeln in dem Volumen des flüssigen Mediums (d. h. ein Gel) zu bilden. Durch Trocknen des Gels wird die Flüssigkeit eliminiert und bewirkt, dass sich das Nanostruktur-Netzwerk von Partikeln vernetzt und aushärtet, wodurch die Grundierungsbeschichtung 16 gebildet wird.
In den hier offenbarten Beispielen beinhaltet die Grundierungsbeschichtungsvorstufe eine Matrix und eine Vielzahl von in die Matrix eingearbeiteten Kapseln. Die Matrix der Grundierungsbeschichtungsvorstufe kann in Form des Sols (d. h. Nanopartikel suspendiert in einer flüssigen Lösung) sein.
Die Sol-Matrix der Grundierungsbeschichtungsvorstufe beinhaltet in einer Flüssigkeit suspendierte Nanopartikel. Ein Beispiel der Sol-Matrix beinhaltet in einer Flüssigkeit (z. B. Wasser, Ethanol, Butylacetat usw.) suspendierte Titandioxid-Nanopartikel. Ein weiteres Beispiel der Sol-Matrix beinhaltet in einer Flüssigkeit (z. B. Wasser, Ethanol, Butylacetat usw.) suspendierte Silika-Nanopartikel. In diesem Beispiel kann die Zusammensetzung der Silika-Nanopartikel durch die empirische Formel SiO₂ oder die Polymerformel (SiO₄)_n ausgedrückt werden (wobei jedes Siliziumatom durch eine Einfachbindung an vier Sauerstoffatome gebunden ist, die zu anderen Siliziumatomen überbrücken). Es ist offensichtlich, dass nicht jedes Siliziumatom jedes Silika-Nanopartikels vier Siloxanbrücken (-Si-O-Si-) bilden kann und stattdessen eine oder mehrere seiner Hydroxyl (-OH)- oder Alkoxy (-OR)-Gruppen beinhaltet. Diese Gruppen sind End-Gruppen, welche die Oberfläche der Silika-Nanopartikel bedecken, und es den Silika-Nanopartikel ermöglichen. sich zu verbinden, um das Gel zu bilden.
Die Sol-Matrix kann aus einem Nanopartikel-Ausgangsmaterial, einem Reaktant und einer Flüssigkeit gebildet werden, die nicht an der Reaktion zwischen dem Nanopartikel-Ausgangsmaterial und dem Reaktanten teilnimmt. Es kann zudem ein Katalysator enthalten sein, der die chemische Reaktion(en) beschleunigt, die stattfindet/stattfinden, um das Sol zu bilden.
Das Nanopartikel-Ausgangsmaterial kann ein Silika-Nanopartikel-Ausgangsmaterial, wie beispielsweise ein Siliziumalkoxid (beispielsweise Tetramethoxysilan oder Tetraethoxysilan) oder ein Natriumsilikat (z. B. Na₂SiO₃ oder Natriummetasilicat, Natrium-Polysilicat oder (Na₂SiCO₃)_n, Natriumorthosilicat oder Na₄SiO₄, und dergleichen), sein. Das Nanopartikel-Ausgangsmaterial kann ein Titandioxid-Nanopartikel-Ausgangsmaterial sein.
Wenn das Nanopartikel-Ausgangsmaterial ein Siliziumalkoxid ist, kann die Flüssigkeit ein Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch (beispielsweise Ethanol, Aceton, Butylacetat, oder Kombinationen davon) sein, und der Reaktant kann Wasser oder ein Alkohol sein. Beispiele eines geeigneten Katalysators beinhalten Ammoniumhydroxid oder Ammoniumfluorid. In diesem Beispiel finden mehrere Reaktionen statt, um die Silika-Nanopartikel und das Sol zu bilden. Eine der Reaktionen ist die Hydrolyse, bei der das Siliziumalkoxid mit dem Wasser reagiert, um Silanol (Si-OH)-Gruppen zu bilden. Diese Silanolgruppen können dann entweder miteinander oder mit einer anderen Alkoxidgruppe (Si-OR) reagieren, um eine Siloxan-Brücke (Si-O-Si) zu bilden, die zwei Moleküle in einem größeren Molekül verbindet. Wie oben erwähnt, kann jedes Siliziumatom bis zu vier Siloxanbrücken bilden. Dies ermöglicht den anfänglich kleinen Moleküle sich miteinander zu verbinden, um größere Moleküle zu bilden (d. h. die Silika-Nanopartikel), die beispielsweise Tausende von Silizium-Sauerstoff-Brücken enthalten.
Wenn die Nanopartikelvorstufe ein Natriumsilikat ist, kann die Flüssigkeit Wasser sein, und der Reaktant kann eine Säure (beispielsweise Salzsäure oder Schwefelsäure) sein. In diesem Beispiel, wenn die Säure zugegeben wird, wird Hydrolyse auftreten und die Silanol-Gruppen werden sich bilden. Die Silicatmoleküle bilden Siloxanbindungen mit anderen Silicatmolekülen und überbrücken zusammen, um die Silika-Nanopartikel in der Flüssigkeit zu bilden, was in einem anderen Beispiel der Sol-Matrix resultiert.
An einem bestimmten Punkt erreichen die Nanopartikel in der Sol-Matrix einen kritischen Punkt, an dem sie in der Größe aufhören zu wachsen und stattdessen mit anderen Nanopartikeln agglomerieren. Dies kann von mehreren Faktoren abhängig sein, einschließlich dem pH und der Konzentration der anderen Arten in der Sol-Matrix. Die End- Hydroxyl- und Alkoxygruppen auf der Oberfläche der Nanopartikel erlauben es den Nanopartikeln, miteinander zu verbinden. Wenn die Nanopartikel sich verbinden, um ein kontinuierliches Netzwerk zu bilden, das die flüssige Lösung umspannt, hat sich das Gel gebildet.
In den hierin offenbarten Beispielen, ist die Matrix der Grundierungsbeschichtungsvorstufe das Sol. Je nach der Chemie der Sol-Reaktionslösung, kann eine Gelbildung natürlich auftreten der Solbildung folgend. Als Beispiel kann das Substrat in die Sol-Matrix mit Nanopartikeln darin (d. h. der Grundierungsbeschichtungsvorstufe) eingetaucht werden und das Gel bildet sich, wenn das Substrat aus der Sol-Matrix entfernt wird oder nachdem es aus der Matrix entfernt wurde. Das Gel kann dann durch Luft oder Backen gehärtet werden, um die Grundierungsbeschichtung zu bilden. In anderen Fällen kann das Einsetzen der Gelierung einen zusätzlichen Katalysator, Wasser, Sauerstoff, Temperaturänderungen oder mehr Zeit erfordern.
Ein Beispiel für die Bildung einer Sol-Gelbeschichtung folgt.
Eine typische Vorstufe verwendet Metallalkoxide, wie beispielsweise Silikontetraethoxid [Si(OC₂H₅)₄, TEOS], in einem Ethanol-Lösungsmittel. Dann bildet sich die Sol-Gelbeschichtung in vier Stufen:

1) Die Vorstufe reagiert mit Wasser, wie beispielsweise Feuchtigkeit in der Luft, in einer Hydrolysereaktion:
1. a. Si(OC₂H₅)₄ + H₂O → HO-Si(OC₂H₅)₃ + C₂H₅OH; oder
2. b. Si(OC₂H₅)₄ + 4H₂O → Si(OH)₄ + 4C₂H₅OH
2) Kondensation und Polymerisation von Monomeren bildet Ketten und Partikel:
1. a. (OC₂H₅)₃Si-OH + HO-Si(OC₂H₅)₃ → (OC₂H₅)₃Si-O-Si(OC₂H₅)₃ + H₂O; oder
2. b. (OC₂H₅)₃Si-OC₂H₅ + HO-Si(OC₂H₅)₃ -7 (OC₂H₅)₃Si-O-Si(OC₂H₅)₃ + C₂H₅OH
Sol: Nanogroße Silika-Partikel werden in wiederholter Hydrolyse und Kondensation von Siliziumalkoxiden synthetisiert.
3) Die Polymere fahren fort, zu vernetzen und in Netzwerke in dem flüssigen Medium zu wachsen und ein Gel zu bilden. Gelierung: Silika-Partikel fahren fort zu wachsen und sich zu vernetzen, um Ketten und eine vernetzte Struktur zu bilden, um ein Gel zu bilden.
4) Das Lösungsmittel verdampft, entweder durch Wärme oder bei Raumtemperatur, und bildet einen dichten Keramikfilm auf dem Substrat.

Die Sol-Matrix der Grundierungsbeschichtungsvorstufe kann auch gekauft werden. Als Beispiel kann die Matrix der Grundierungsbeschichtungsvorstufe eine der von COVAL MOLECULAR COATINGS verkauften Beschichtungen, wie die im Handel unter dem Namen COVAL METAL COAT™ verkaufte Beschichtung, sein.
Die Grundierungsbeschichtungsvorstufe beinhaltet auch die zuvor erwähnten Kapseln in der Sol-Matrix. Die Kapseln können in die Sol-Matrix als Additiv gemischt werden. Die Kapseln können in Gewichtsprozent bezogen auf das Gewicht der Sol-Matrix in einer Menge im Bereich von etwa 1 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% hinzugefügt werden. Es ist selbstverständlich, dass dieser Prozentsatz abhängig von einen gewünschten Grad an Selbstheilung variiert werden kann. Als ein anderes Beispiel können die Kapseln in einer Menge von etwa 5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% der gesamten Sol-Matrix Gew.-% zugegeben werden. Die Kapseln 24 sind in den 2A und 3 in der Grundierungsbeschichtung 16 dargestellt.
Die Kapseln 24 beinhalten eine Schale 28, die einen Kern 26 umgibt. Es ist selbstverständlich, dass die Schale 28 jede geeignete Dicke aufweisen kann. In einem Beispiel reicht die Dicke der Schale 28 von etwa 1/20^tel bis zu etwa 1/5^tel des Durchmessers der Kapsel 24. Die Schale 28 kann aus jedem Material gebildet sein, das mit den Nanopartikeln in dem Sol, dem Gel und schließlich der Grundierungsbeschichtung 16 chemisch kompatibel ist. Mit „chemisch kompatibel“ ist gemeint, dass die Schale 28 zur kovalenten Bindung fähig ist (beispielsweise Vernetzung) mit der Grundierungsbeschichtung 16. Auf dem Schalenmaterial X können beispielsweise kovalente Bindungen Si-O-X zwischen Schalenmaterial X und einer Silikon-basierten Sol-Gelbeschichtung gebildet werden.
In einem Beispiel sind jedes der Nanopartikel und die Schale 28 aus Silika (Siliziumdioxid) oder Titandioxid gebildet. Wenn die Nanopartikel zusammen gebunden/vernetzt sind während der Härtung können die Kapseln 24 auch in der Vernetzung mit der Schale 28 teilnehmen. Andere Beispiele der Schale 28 können Quarz oder Quarzglas beinhalten.
Die Schale 28 kann unterbrochen werden (d. h. durch Brechen, Reißen usw.), beispielsweise, wenn die Fahrzeugkarosserie 12 gekratzt wird, und die Unterbrechung in der Schale 28 gibt das Material frei, das den Kern 26 bildet. Die Unterbrechung der Schale 28 und die Freigabe des Materials des Kerns 26 wird in 2B gezeigt und der Kratzer ist mit 27 gekennzeichnet.
Der Kern 26 der Kapseln 24 beinhaltet das Heilmittel. Das Heilmittel ist kompatibel mit der getrockneten und gehärteten Grundierungsbeschichtung 16. Mit „kompatibel“ ist gemeint, dass das Heilmittel zur Haftung an die Grundierungsbeschichtung 16 fähig ist. Als ein Beispiel kann ein geeignetes Heilmittel eine ähnliche Sol-Gelbeschichtungs Chemie aufweisen wie die Matrix, die verwendet wird, die Grundierungsbeschichtung 16 zu bilden, und kann auch durch Luft oder Sauerstoff aktiviertes Härten aufweisen. Diese Art von Heilmittel, wenn es aus der Schale 28 freigegeben wird, kann der Luft ausgesetzt, aktiviert und polymerisiert oder vernetzt werden, um die beschädigte Stelle der Grundierungsbeschichtung 16 wieder zu verschließen. Der wieder verschlossene Teil 29 der Grundierungsbeschichtung 16 ist in 2C gezeigt.
Beispiele für die Selbstheilmittel beinhalten Silizium basierte Polymere, Polyurethan-Polymere oder höher konzentrierte Alkohol basierte Sol-Gel-Materialien mit Nanopartikeln darin („höher“ sein, beispielsweise 40 Gew.-% SiO2-Konzentration im Gegensatz zu einem beispielsweise 25 Gew.-% normalen SiO₂ Feststoffgehalt) (wobei die Nanopartikel-Konzentration höher ist als die Nanopartikel-Konzentration in der Sol-Matrix der Grundierungsbeschichtungsvorstufe).
In einem Beispiel des einteiligen Systems, kann das Heilmittel innerhalb der Kerne 26 der Kapseln 24 ein ungesättigtes multifunktionales Harz beinhalten, das in der Lage zu einer durch Sauerstoff eingeleiteten Vernetzung ist. Das ungesättigte multifunktionale Harz kann ein Alkydharz sein. In einem Beispiel wird das Alkydharz aus einer Fettsäure, einem trifunktionellen Alkohol, und einer Säure oder einem Säureanhydrid gebildet. In einem anderen Beispiel beinhaltet das Alkydharz eine telechele Endgruppe ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Epoxid, einem Isocyanat, einem Polyol, einem Silanol, einem Vinyl-terminierten Silan, einer Vinylgruppe, einer ungesättigten Fettsäure und einer ungesättigten funktionellen Gruppe. Beispiele eines einteiligen Systems sind im Handel bei Autonomie Materials Inc., Champaign, IL erhältlich.
Andere Beispiele für die Selbstheilmittel sind zweiteilige Systeme. Ein Beispiel des zweiteiligen Systems ist in 3 gezeigt. In diesen Systemen beinhalten die Grundierungsbeschichtungsvorstufe und die gebildete Grundierungsbeschichtung 16 eine Mischung aus ersten und zweiten Kapseln 24, 24' darin. Diese Kapseln 24, 24' können die gleiche Art von Schale 28 aufweisen, aber die Kerne 26, 26' können aus zwei verschiedenen Heilmitteln gebildet werden. Beispielsweise können die ersten Kapseln 24 in einem zweiteiligen System ein härtbares Harz als Kern 26 beinhalten und die zweiten Kapseln 24' in einem zweiteiligen System können ein Härtungsmittel des härtbaren Harzes als Kern 26' beinhalten. Wenn die Schalen 28 dieser Kapseln 24, 24' unterbrochen werden und die Kerne 26, 26' in Kontakt miteinander kommen, leitet der Härtungsmittel-Kern 26' die Härtung des härtbaren Harz-Kerns 26 ein.
In einem Beispiel des zweiteiligen Systems, kann das Heilmittel innerhalb der Kerne 26 der Kapseln 24 ein ungesättigtes multifunktionales Harz beinhalten, das in der Lage zu einer durch Sauerstoff eingeleiteten Vernetzung ist. Das ungesättigte multifunktionale Harz kann ein Alkydharz sein. In einem Beispiel wird das Alkydharz aus einer Fettsäure, einem trifunktionellen Alkohol, und einer Säure oder einem Säureanhydrid gebildet. In einem anderen Beispiel beinhaltet das Alkydharz eine telechele Endgruppe ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Epoxid, einem Isocyanat, einem Polyol, einem Silanol, einem Vinyl-terminierten Silan, einer Vinylgruppe, einer ungesättigten Fettsäure und einer ungesättigten funktionellen Gruppe. Die Kerne 26' der Kapseln 24' können einen Katalysator oder ein Härtungsmittel beinhalten. In einem Beispiel ist der Katalysator ein Metallkomplex, das Metall des Metallkomplexes wird aus der Gruppe bestehend aus Kobalt, Mangan, Eisen, Cer, Vanadium, Zirkonium, Wismut, Barium, Aluminium, Calcium, Zink, Lithium und Kalium ausgewählt. Ein Beispiel eines Härtungsmittels ist ein Epoxid-Härtungsmittel.
In einem anderen Beispiel kann der härtbare Harz-Kern 26 ein Vinyl-terminiertes Polydimethylsiloxan-Harz sein und der Härtungsmittel-Kern 26' kann jedes für das Vinylterminierte Polydimethylsiloxan (PDMS)-Harz geeignete Härtungsmittel sein. Dieses besondere zweiteilige System ist in der AMI-Serie 1 von Autonomie Materials Inc., Champaign, IL im Handel erhältlich.
In noch einem weiteren Beispiel eines zweiteiligen Systems können Kapseln 24 als Kern 26 ein Harz mit reaktiven chemischen Gruppen (beispielsweise Hydroxylgruppen oder Amine) beinhalten; und Kapseln 24' können als Kern 26' ein Polyisocyanat-Harz, das in der Lage ist, mit dem Kern 26-Harz zu reagieren, beinhalten. Wenn die beiden Kapseln 24, 24' reißen und sich die beiden Kerne 26, 26' vermischen, findet eine Vernetzungsreaktion statt, und eine neue Polyurethan-Schutzbeschichtung bildet sich.
Die Kapseln 24, 24' können in der Matrix unter Verwendung einer geeigneten Dispersionstechnik eingebettet und dispergiert werden. In einem Beispiel treten Einbetten und Dispergieren gleichzeitig auf. In einem Beispiel werden Einbetten und Dispergieren durch mechanisches Rühren nach dem direkten Mischen der Kapseln 24, 24' in die Sol-Matrix der Grundierungsbeschichtungsvorstufe erreicht. Es ist selbstverständlich, dass die Rührgeschwindigkeit, die Materialviskosität und die Rührzeit beeinflussen können, ob die Schale 28 während des Einbettens und Dispergieren aufreißt. Niedrigere Rührgeschwindigkeit, niedrigere Viskosität und kürzere Rührzeit führt zu einer geringeren Anzahl an Schalen, die während des Einbettens und Dispergieren reißen, jedoch können dieselben Parameter auch dazu führen, dass die Kapseln 24, 24' weniger gleichmäßig in der Matrix dispergiert sind.
Die Kapseln 24, 24' können in Mikrogröße oder Nanogröße sein. In einem Beispiel sind die Kapseln 24, 24' ähnlich zu den Nanopartikeln in der Sol-Matrix bemessenen. In einem anderen Beispiel können die Kapseln 24, 24' Silika-Nanopartikel als Heilmittel enthalten, und diese Kapseln 24, 24' können in Mikrogröße sein.
Wie bei Bezugszeichen 103 in 4 gezeigt, können die Verfahren 100, 200 das Bereitstellen des metallischen Substrats 14 beinhalten. Beispiele für das metallische Substrat 14 beinhalten Stahl, Magnesium oder Aluminium. In einem Beispiel kann das metallische Substrat 14 eine nackte Fahrzeugkarosserie (BIW) sein. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „Fahrzeug BIW“ auf die Blechkomponenten der Fahrzeugkarosserie, die miteinander verschweißt sind, einschließlich der Schwingmetalle (z. B. Türen, Motorhaube und Kofferraumdeckel), aber ohne bewegliche Teile (beispielsweise Räder und Reifen), den Motor, Fahrwerk-Unterbaugruppen oder Verkleidung (z. B. Glas, Sitze, Polster, Elektronik usw.), und vor dem Lackieren. Das metallische Substrat 14 (z. B. Fahrzeug BIW) kann unter Verwendung eines Förderers zugeführt werden. An diesem Punkt sind alle Versiegelungen und Klebstoffe in dem Fahrzeug BIW vollständig gehärtet oder geliert.
Die Bereitstellung des metallischen Substrats 14 kann auch die Reinigung des metallischen Substrats 14 (beispielsweise Fahrzeug BIW) einbeziehen. Zum Beispiel kann das Fahrzeug BIW einem mehrstufigen Reinigungsverfahren unterzogen werden, um Verunreinigungen von dem gesamten Fahrzeug BIW zu entfernen. Wasser und Reinigungsmittel können auf das Fahrzeug BIW gesprüht werden, um es zu reinigen. Nachdem das metallische Substrat 14 gereinigt worden ist, fährt das Verfahren 100, 200 bei Bezugszeichen 104 fort.
Bei Bezugszeichen 104 in 4 wird die Grundierungsbeschichtungsvorstufe direkt auf dem metallischen Substrat 14 aufgebracht. In einem Beispiel wird die Grundierungsbeschichtungsvorstufe in einem Tank oder einem anderen geeigneten Behälter zugeführt, und das metallische Substrat 14 wird in den Tank eingetaucht. Tauchbeschichtung trägt die Grundierungsbeschichtungsvorstufe über die frei liegenden Oberflächen des metallischen Substrats 14 auf, einschließlich aller inneren und äußeren Oberflächen des metallischen Substrats 14 (beispielsweise Fahrzeug BIW). In diesem Stadium wird die Grundierungsbeschichtungsvorstufe nicht gehärtet.
Einige Beispiele der Verfahren 100, 200 umfassen das Auftragen von drei Vorstufen (einschließlich der Grundierungsbeschichtungsvorstufe) und ein Backen. Wie hier verwendet, bedeutet der Begriff „Backen“ ein Verfahren, bei dem mindestens eine Polymerschicht in einem Ofen erhitzt wird, um die Polymerschicht zu härten. Die Verfahren 100, 200, die das Auftragen von drei Vorstufen und einem Backen umfassen, werden nun in Bezug auf die Fig. 104, 106, 108 und 110 beschrieben. In diesen Beispielen fahren die Verfahren 100, 200 von dem Auftragen der Grundierungsbeschichtungsvorstufe (Bezugszeichen 104) zur Anwendung des Auftragens einer Basisbeschichtungsvorstufe (Bezugszeichen 106) fort.
In einem Beispiel kann die Basisbeschichtungsvorstufe kann eine Monomer- oder Polymervorstufe beinhalten, die polymerisiert und vernetzt, um die Basisbeschichtung 18 der Fahrzeugkarosserie 12, 12' zu bilden, wenn sie der Erwärmung ausgesetzt sind. In einem anderen Beispiel kann die Basisbeschichtungsvorstufe ein Polymer beinhalten, das vernetzt, um die Basisbeschichtung 18 der Fahrzeugkarosserie 12, 12' zu bilden, wenn es der Erwärmung ausgesetzt ist. Die Basisbeschichtung 18 kann exemplarisch Acryle, Vinyle, Polyurethane, Polycarbonate, Polyester, Alkyde, Polyepoxid, Polysiloxane, Harze und Kombinationen davon beinhalten. Als solches kann die Basisbeschichtungsvorstufe jedes Monomer, Polymervorstufe, oder Polymer, das nach dem Aushärten die Basisbeschichtung 18 bildet, beinhalten. Die Basisbeschichtungsvorstufe enthält auch ein Pigment, das Farbe (z. B. rot, schwarz usw.) auf den Basislack 18 und auf die Fahrzeugkarosserie 12, 12' vermittelt.
In diesem Beispiel der Verfahren 100, 200 wird die Basisbeschichtungsvorstufe direkt über die Grundierungsbeschichtungsvorstufe aufgebracht, bevor die Grundierungsbeschichtungsvorstufe gehärtet wird. Das metallische Substrat 14 (z. B. Fahrzeug BIW) mit der Grundierungsbeschichtungsvorstufe darauf wird in eine Basisbeschichtungs-Spritzkabine bewegt. Während es in der Basisbeschichtungs-Spritzkabine ist, wird die Basisbeschichtungsvorstufe über die Grundierungsbeschichtungsvorstufe gesprüht, die bereits auf dem metallischen Substrat 14 ist. In diesem Stadium wird die Basisbeschichtungsvorstufe nicht gehärtet.
In diesem Beispiel der Verfahren 100, 200, kann das mit der Grundierungsbeschichtungsvorstufe und deren Basisbeschichtungsvorstufe beschichtete metallische Substrat 14 einem beheiztes-Flash-Ofen ausgesetzt werden, bevor die Klarbeschichtungsvorstufe aufgebracht wird, um in der Basisbeschichtung enthaltenes Lösungsmittel auszutreiben. Dies kann die Basisbeschichtung für die Klarbeschichtungsvorstufe Auftragung vorbereiten.
Bei den Verfahren 100, 200, die das Auftragen der drei Vorstufen und ein Backen beinhalten, fahren die Verfahren 100, 200 dann vom Auftragen der Basisbeschichtungsvorstufe (Bezugszeichen 106) mit dem Auftragen einer Klarbeschichtungsvorstufe (Bezugszeichen 108) fort.
Die Klarbeschichtungsvorstufe bildet die Klarbeschichtung 20, die eine polymere Beschichtung ist, die der Fahrzeugkarosserie 12, 12' Glanz und Schutz bereitstellen kann. Ein Beispiel für die Klarbeschichtung 20 ist ein Acryl-basiertes Polymer. Beispiele der Klarbeschichtungsvorstufe können ein Hydroxylacryl, ein Polyestercarbamatacryl, Polyester, ein Epoxid, ein blockiertes Isocyanatsystem, oder Kombinationen davon beinhalten.
In diesem Beispiel der Verfahren 100, 200, wird die Klarbeschichtungsvorstufe direkt über die Basisbeschichtungsvorstufe aufgebracht, bevor die Grundierungsbeschichtungsvorstufe und die Basisbeschichtungsvorstufe gehärtet werden. Bei Bezugszeichen 108 kann das metallische Substrat 14 (beispielsweise Fahrzeug BIW) mit der darauf aufgebrachten Grundierungsbeschichtungsvorstufe und der Basisbeschichtungsvorstufe in eine Klarbeschichtungs-Spritzkabine befördert werden. Während es in der Klarbeschichtungs-Spritzkabine ist, wird die Klarbeschichtung 20 auf die Basisbeschichtungsvorstufe, die bereits über der Grundierungsbeschichtungsvorstufe und dem metallischen Substrat 14 angeordnet ist, gesprüht. In diesem Stadium wird die Klarbeschichtung nicht gehärtet.
In diesem Beispiel der Verfahren 100, 200, nachdem die Klarbeschichtungsvorstufe über die Basisbeschichtungsvorstufe aufgebracht wurde, fahren die Verfahren 100, 200 dann mit dem einen Backen (Bezugszeichen 110) fort. Das eine Backen beinhaltet das gleichzeitige Erhitzen des metallischen Substrats 14 (beispielsweise Fahrzeug BIW), der Grundierungsbeschichtungsvorstufe, der Basisbeschichtungsvorstufe und der Klarbeschichtungsvorstufe, um alle Vorstufen zu härten, um Beschichtungen (d. h. Grundierungsbeschichtung 16, Basisbeschichtung 18 und Klarbeschichtung 20) zu bilden. Das Erhitzen kann erreicht werden, sodass das metallische Substrat 14 in einem Ofen bei einer Temperatur im Bereich von etwa 220 Grad Fahrenheit bis ungefähr 320 Grad Fahrenheit für eine Zeit im Bereich von etwa 15 Minuten bis etwa 50 Minuten erhitzt wird. In einem Beispiel wird das metallische Substrat 14 in einem Ofen bei einer Temperatur von etwa 280 Grad Fahrenheit für 30 Minuten erhitzt. In diesem Beispiel können das metallische Substrat 14, die Grundierungsbeschichtungsvorstufe, die Basisbeschichtungsvorstufe und die Klarbeschichtungsvorstufe in einem Ofen gebacken werden, um alle Vorstufen zu härten und die Beschichtungen in einem Backen zu bilden. Wie oben erläutert, bedeutet der Begriff „Backen“ ein Verfahren, bei dem eine Vorstufe in einem Ofen erhitzt wird, um zu auszuhärten und eine Polymerbeschichtung zu bilden. Nach dem Erhitzen wird die Fahrzeugkarosserie 12, 12' gebildet, und dann aus dem Ofen entfernt.
Andere Beispiele der Verfahren 100, 200 beinhalten ein Backen nach der Anwendung von jeder der drei Vorstufen. Diese beispielhaften Methoden 100, 200 beinhalten jeweils Backen bei jedem der Bezugszeichen 105, 107 und 109. Die einzelne Back Schritte beinhaltenden Verfahren 100, 200 werden nun beschrieben.
In diesen Beispielen fahren die Verfahren 100, 200 von dem Auftragen der Grundierungsbeschichtungsvorstufe (Bezugszeichen 104) zum ersten Backen (Bezugszeichen 105) fort. Bei Bezugszeichen 105 in 4, nachdem die Grundierungsbeschichtungsvorstufe auf das metallische Substrat 14 aufgebracht wird, wird das beschichtete Substrat einer Erhitzung ausgesetzt (beispielsweise in einem Ofen bei einer Temperatur von etwa 250 Grad Fahrenheit für etwa 20 Minuten). Das Backen bei Bezugszeichen 105 härtet die Grundierungsbeschichtungsvorstufe, um die Grundierungsbeschichtung 16 zu bilden.
Dieses Beispiel des Verfahrens fährt zu Bezugszeichen 106 fort, wo die Basisbeschichtungsvorstufe auf die gehärtete Grundierungsbeschichtung 16 aufgebracht wird. Die Basisbeschichtungsvorstufe kann in ähnlicher Weise aufgebracht werden, wie vorher beschrieben, mit der Ausnahme, dass die zugrundeliegende Grundierungsbeschichtung 16 ausgehärtet wird.
In diesen Beispielen fahren die Verfahren 100, 200 von dem Auftragen der Basisbeschichtungsvorstufe (Bezugszeichen 106) zu einem beheizten Flash-Backen (z. B. dem zweiten bei Bezugszeichen 107 gezeigten Backen) fort. Bei Bezugszeichen 107 in 4, nachdem die Basisbeschichtungsvorstufe auf die ausgehärtete Grundierungsbeschichtung 16 aufgebracht wird, wird das beschichtete Substrat einer Erhitzung ausgesetzt. In diesem Backen ist das Ziel nicht die Basisbeschichtungsvorstufe zu härten, um die Basisbeschichtung 18 zu bilden, sondern ist es vielmehr die Basisbeschichtungsvorstufe zu trocknen, um die Basisbeschichtungsvorstufe für die Auftragung der Klarbeschichtungsvorstufe vorzubereiten. Das beheizte Flash-Backen kann in einem Ofen in etwa 10 Minuten bei 180 Grad Fahrenheit durchgeführt werden.
Dieses Beispiel des Verfahrens fährt zu Bezugszeichen 108 fort, wo die Klarbeschichtungsvorstufe auf die gehärtete Basisbeschichtungsvorstufe aufgebracht wird. Der Klarbeschichtungsvorstufe kann in ähnlicher Weise aufgebracht werden, wie vorher beschrieben, mit der Ausnahme, dass die zugrundeliegende Grundierungsbeschichtung 16 ausgehärtet wird, und die darunterliegende Basisbeschichtungsvorstufe getrocknet wird.
In diesen Beispielen fahren die Verfahren 100, 200 von der Auftragung der Klarbeschichtungsvorstufe (Bezugszeichen 108) zum dritten Backen (Bezugszeichen 109) fort. Bei Bezugszeichen 109 in 4, nachdem die Klarbeschichtungsvorstufe auf die getrocknete Basisbeschichtungsvorstufe aufgebracht wird, wird das beschichtete Substrat einer Erhitzung ausgesetzt. Das dritte Backen kann in einem Ofen in etwa 30 Minuten bei 280 Grad Fahrenheit durchgeführt werden. Das Backen bei Bezugszeichen 109 härtet die getrocknete Basisbeschichtungsvorstufe, um die Basisbeschichtung 18 zu bilden, und die Klarbeschichtungsvorstufe, um die Klarbeschichtung 20 zu bilden.
Wieder Bezug nehmend auf Bezugszeichen 104, wo die Grundierungsbeschichtungsvorstufe auf das metallischen Substrat 14 aufgebracht wird, können noch weitere Beispiele der Verfahren 100, 200 zu Bezugszeichen 112 fortfahren, wo eine Primervorstufe auf die ungehärtete Grundierungsbeschichtungsvorstufe aufgebracht wird. Bei Bezugszeichen 112 wird das metallische Substrat 14 (beispielsweise Fahrzeug BIW) mit der Grundierungsbeschichtungsvorstufe darauf in eine Primer-Spritzkabine positioniert. Während es in der Primer-Spritzkabine ist, wird die Primervorstufe direkt über die Grundierungsbeschichtungsvorstufe gesprüht, die bereits auf dem metallischen Substrat 14 angeordnet ist.
Nach dem Auftragen der Primervorstufe, fahren die Verfahren 100, 200 dann zum Backen bei Bezugszeichen 105 fort. In diesem Beispiel umfasst das Backen bei Bezugszeichen 105 das Erhitzen des metallischen Substrats 14, der Grundierungsbeschichtungsvorstufe und der Primervorstufe, um die Grundierungsbeschichtungsvorstufe und die Primervorstufe zu härten, um jeweils die Grundierungsbeschichtung 16 und den Primer 22 zu bilden. Um das Backen durchzuführen, kann das metallische Substrat 14, das mit der Grundierungsbeschichtungsvorstufe und der Primervorstufe beschichtet ist, in einen Ofen gegeben und auf eine geeignete Härtungstemperatur erhitzt werden. Nach dem Aushärten bildet die Primervorstufe den Primer 22 (3). Der Primer 22 ist eine Beschichtung, die in der Lage ist, das metallische Substrat 14 und die anderen Beschichtungen (d. h. Grundierungsbeschichtung 16, Basisbeschichtung 18 und Klarbeschichtung 20) gegen UV-Strahlung zu schützen.
Nach dem Härten bei Bezugszeichen 105, werden die Grundierungsbeschichtung 16 und der Primer 22 gebildet, und die Verfahren 100, 200 können zu Bezugszeichen 106 fortfahren, wo die Basisbeschichtungsvorstufe in ähnlicher Weise, wie zuvor beschrieben, aufgebracht wird. Als ein Beispiel können die Verfahren 100, 200 dann mit den Bezugszeichen 108 (Klarbeschichtungsvorstufe-Auftragen) und 110 (Erhitzen, um Basisbeschichtung 18 und Klarbeschichtung 20 zu bilden) fortfahren. Als ein weiteres Beispiel können die Verfahren 100, 200 dann mit den Bezugszeichen 107 (Erhitzen, um Basisbeschichtung 18 zu bilden), 108 (Klarbeschichtungsvorstufe-Auftragen), und 109 (Erhitzen, um Klarbeschichtung 20 zu bilden) fortfahren.
Nachdem die Vorstufen gehärtet sind und die Beschichtungen 16, 18, 20 (und in manchen Fällen 22) gebildet sind, können die Verfahren 100, 200 ferner zusätzliche Prozesse beinhalten. Bei Bezugszeichen 114, kann die Fahrzeugkarosserie 12, 12' überprüft werden, um Defekte zu identifizieren. Zum Beispiel kann die Fahrzeugkarosserie 12, 12' einer Qualitätsprüfung unterzogen werden. Wenn die Fahrzeugkarosserie 12, 12' die Qualitätskontrolle besteht, wird die Fahrzeugkarosserie 12, 12' zu einem allgemeinen Montagebereich gesendet, bei Bezugszeichen 120. Im allgemeinen Montagebereich, wird die Fahrzeugkarosserie 12, 12' an die anderen Komponenten des Fahrzeugs 10 gekoppelt. Umgekehrt, wenn die Fahrzeugkarosserie 12, 12' die Qualitätsprüfung nicht besteht, da beispielsweise einige Mängel festgestellt werden, können die Verfahren 100, 200 zu Bezugszeichen 116 oder 118 fortfahren.
Bei Bezugszeichen 116 werden die identifizierten Mängel behoben. Diese Reparaturen können in-line durch Umleitung der Fahrzeugkarosserie 12, 12' zurück in die Basisbeschichtungs-Spritzkabine bei Bezugszeichen 106 durchgeführt werden. Alternativ können bei Bezugszeichen 118 die Reparaturen offline nach der Qualitätsprüfung bei 114 durchgeführt werden, und die Fahrzeugkarosserie 12, 12' wird an den allgemeinen Montagebereich gesendet, nachdem die Mängel behoben wurden.
Es ist selbstverständlich, dass das metallische Substrat 14 in allen Verfahren 100, 200 keinem Elektroabscheidungs (ELPO)-Verfahren oder -Prozess (d. h. einem Antikorrosions-Galvanisierungsbad) unterzogen wird, um eine ELPO-Beschichtung oder -Schicht zu erzeugen, die aus jedem Epoxid-basierten Material hergestellt werden kann. Mit anderen Worten, das metallische Substrat 14 (oder ein anderer Teil der Fahrzeugkarosserie 12, 12') wird keinem ELPO-Verfahren unterzogen. Die ELPO-Beschichtung kann als eine Elektroabscheidungsschicht, eine elektrophoretische Abscheidungs (EPD)-Beschichtung, oder als ein e-coat bezeichnet werden. Dementsprechend beinhaltet die Fahrzeugkarosserie 12, 12' keine Elektroabscheidungsschicht.
Die Beispiele der Fahrzeugkarosserie 12 (2A) und 12' (3) beinhalten mehrere Beschichtungen, einschließlich der Grundierungsbeschichtung 16, der Basisbeschichtung 18 und der Klarbeschichtung 20 und in einigen Fällen dem Primer 22.
Ein Beispiel für eine kovalente Bindung der Grundierungsbeschichtung 16 an das metallische Substrat 14 ist unten gezeigt.
Die Hydrolyse-Reaktion - Silikonalkoxidvorstufe reagiert mit Wasser;
Vernetzung und Gel-Bildung in der Vorstufe;
Monomere werden durch Wasserstottbrücken von der Metalloberfläche angezogen; und
Kondensation und fortgesetzte Vernetzung bilden einen kovalent gebundenen Beschichtungsfilm auf der Oberfläche.
Diese Grundierungsbeschichtung 16 ist eine polymere Beschichtung, die inhärent UV-stabil und in der Lage ist, die Fahrzeugkarosserie 12, 12' gegen Korrosion durch Selbstheilung zu schützen und hilft das metallische Substrat 14 an andere Beschichtungen zu binden. Der Begriff „inhärent UV-stabil“ bedeutet, dass das Material, das die Grundierungsbeschichtung 16 bildet, von selbst und ohne UV-stabile Additive nicht reißt oder zerfällt, wenn sie durch ultraviolette Strahlung angegriffen wird. Als Beispiel kann die Grundierungsbeschichtung 16 als UV-8 eingestuft werden. Ein Material oder Beschichtung, das bzw. die als UV-8 eingestuft ist, kann der Exposition gegenüber UV-Licht 8000 Stunden widerstehen, bevor die Bruchdehnung während des Testens in einem Wettermessgerät auf 50 % des ursprünglichen Wertes reduziert wird. UV-Faktoren (z. B. UV-X) werden als ein Vielfaches der Exposition von 1000 Stunden ausgedrückt, bis eine gewählte mechanische Eigenschaft (beispielsweise Bruchdehnung oder Zugfestigkeit) 50 % des ursprünglichen Wertes (d. h. der Wert der mechanischen Eigenschaft, bevor das Material UV-Licht unterzogen wurde) erreicht. So kann die UV-Faktor der Grundierungsbeschichtung 16 exemplarisch zwischen UV-5 und UV-10 liegen.
Mit ihrer Selbstheilungseigenschaft ist die Grundierungsbeschichtung 16 in der Lage, Risse, Kratzer oder andere Defekte in der Grundierungsbeschichtung 16 zu beheben. Die reparierten Teile bewahren das darunterliegende metallische Substrat 14 davor, externen Elementen ausgesetzt zu sein, und verbessern somit die Korrosionsbeständigkeit der Fahrzeugkarosserie 12, 12'. Zusätzlich zur Selbstheilung verbessernden Korrosionsbeständigkeit schützt die Beschichtung 16 selbst die Fahrzeugkarosserie 12, 12' vor Korrosion, sodass die Korrosionsrate (wie in mils Penetration pro Jahr ausgedrückt (mpJ)) im Bereich zwischen 0,9 und 10 mpJ liegt. Die Korrosionsrate (wie in mpJ ausgedrückt) kann beispielsweise 3 mpJ sein.
Die Kapseln 24, 24' in der Grundierungsbeschichtung 16 können zu einer erhöhten Oberflächenrauigkeit der Beschichtung 16 führen. Um die Oberflächenrauigkeit zu reduzieren, können die Kapseln 24, 24' nanogroß sein. In einem Beispiel kann es wünschenswert sein, dass die Nanopartikel in der Matrix und die Kapseln 24, 24' etwa gleich groß sind (beispielsweise einen mittleren Durchmesser von etwa 700 nm bis etwa 900 nm aufweisen). Gleich große Partikel führen zu Grundierungsbeschichtung 16 mit Oberflächenglätte.
In anderen Beispielen, können die Kapseln 24, 24' eine Größe/mittleren Durchmesser im Bereich von etwa 1 Mikron bis etwa 25 Mikron aufweisen.
Die Grundierungsbeschichtung 16 ist chemisch an das metallische Substrat 14 gebunden. Der Begriff „chemisch gebunden“ bedeutet, dass eine chemische kovalente oder ionische Bindung die Grundierungsbeschichtung 16 mit dem metallischen Substrat 14 koppelt. Die Grundierungsbeschichtung 16 ist daher konfiguriert, um eine starke Haftungsbindung mit dem metallischen Substrat 14 herzustellen. Als Beispiel kann die Bindungsenergie der chemischen Bindung zwischen der Grundierungsbeschichtung 16 und dem metallischen Substrat 14 zwischen 600 Kilojoule pro Mol (kJ/mol) und 800 kJ/mol liegen. Als ein Beispiel kann die Bindungsenergie der chemischen Bindung zwischen der Grundierungsbeschichtung 16 und dem metallischen Substrat 14 700 kJ/mol sein.
Wenn beinhaltet, stellt der Primer 22 zusätzliche UV-Strahlenbeständigkeit bereit.
Die Basisbeschichtung 18 ist eine polymere Beschichtung, die über der Grundierungsbeschichtung 16 oder dem Primer 22 aufgetragen wird. Die Basisbeschichtung 18 übermittelt Farbe auf die Fahrzeugkarosserie 12, 12'.
Der Klarbeschichtung 20 wird über der Basisbeschichtung 18 aufgebracht. Die Klarbeschichtung 20 ist eine Polymerbeschichtung, die der Fahrzeugkarosserie 12, 12' Glanz und Schutz bereitstellen kann.
Bezugnahme in der Beschreibung auf „ein Beispiel“, „ein weiteres Beispiel“, „Beispiel“ usw. bedeutet, dass ein bestimmtes Element (z. B. Merkmal, Struktur und/oder Eigenschaft), die in Verbindung mit dem Beispiel beschrieben ist, in mindestens einem hierin beschriebenen Beispiel beinhaltet ist und in anderen Beispielen vorhanden sein kann oder nicht. Darüber hinaus ist es selbstverständlich, dass die beschriebenen Elemente für jedes Beispiel in jeder geeigneten Weise in den verschiedenen Beispielen kombiniert werden können, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas andres vorschreibt.
Es ist selbstverständlich, dass die hier bereitgestellten Bereiche den angegebenen Bereich und einen beliebigen Wert oder Teilbereich innerhalb des angegebenen Bereichs beinhalten. Zum Beispiel sollte ein Bereich von etwa 600 Kilojoule pro Mol (kJ/mol) und 800 kJ/mol interpretiert werden, um nicht nur die explizit angegebenen Grenzen von etwa 600 kJ/mol bis etwa 800 kJ/mol zu umfassen, sondern auch Einzelwerte zu beinhalten, wie beispielsweise 650,5 kJ/mol, 700 kJ/mol, 795 kJ/mol usw. und Teilbereiche, wie beispielsweise von etwa 650 kJ/mol bis etwa 750 kJ/mol; von etwa 625 kJ/mol bis etwa 775 kJ/mol usw. Weiterhin ist, wenn „etwa“ verwendet wird, um einen Wert zu beschreiben, dies gemeint, die kleinen Variationen von dem angegebenen Wert (bis zu +/- 10 %) zu umfassen.
Beim Beschreiben und Beanspruchen der hierin offenbarten Beispiele, beinhalten die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ Mehrzahlbezüge, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas andres vorschreibt.

Claims

Beschichtungsverfahren, umfassend: Bereitstellen eines metallischen Substrats (14); Auftragen einer Grundierungsbeschichtungsvorstufe auf das metallische Substrat (14), wobei die Grundierungsbeschichtungsvorstufe Folgendes beinhaltet: eine Matrix; und eine Vielzahl von Kapseln (24, 24') in der Matrix, wobei jede Kapsel (24, 24') eine Schale (28) und Heilmittel, das von der Schale (28) umgeben ist, beinhaltet und wobei die Kapseln (24, 24') in einer Menge im Bereich von 1 Gew.-% bis 40 Gew.-% eines Gesamt Gew.-% der Matrix vorliegen; Auftragen einer Basisbeschichtungsvorstufe; Auftragen einer Klarbeschichtungsvorstufe; und Erhitzen des metallischen Substrats (14), der Grundierungsbeschichtungsvorstufe, der Basisbeschichtungsvorstufe und der Klarbeschichtungsvorstufe i) nach jeder jeweiligen Auftragung oder ii) gleichzeitig, um die Grundierungsbeschichtungs-, Basisbeschichtungs- und Klarbeschichtungsvorstufe zu härten und jeweils eine Grundierungsbeschichtung (16), eine Basisbeschichtung (18) und eine Klarbeschichtung (20) zu bilden; worin die Grundierungsbeschichtung (16) Ultraviolett (UV)-stabil ist und das metallische Substrat (14) an die Basisbeschichtung (18) und die Klarbeschichtung (20) bindet, und worin die Vielzahl der Kapseln (24, 24') eine Mischung aus ersten und zweiten Kapseln (24, 24') beinhaltet, worin die ersten Kapseln (24) ein Alkydharz als ein erstes Heilmittel und die zweiten Kapseln (24') einen Katalysator oder ein Härtungsmittel des Alkydharzes als ein zweites Heilmittel beinhalten oder die ersten Kapseln (24) ein Vinyl-terminiertes Polydimethylsiloxan-Harz als ein erstes Heilmittel und die zweiten Kapseln (24') ein Härtungsmittel des Vinyl-terminierten Polydimethylsiloxan-Harzes als ein zweites Heilmittel beinhalten oder die ersten Kapseln (24) ein Harz mit reaktiven chemischen Gruppen als ein erstes Heilmittel und die zweiten Kapseln (24') ein Polyisocyanat-Harz als ein zweites Heilmittel beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Matrix ein Sol mit darin suspendierten Silika-Nanopartikeln ist; worin das Sol ein Alkohol basiertes Sol ist; und worin die Schale (28) der Kapseln (24, 24') ein Material ist, das in der Lage ist, mit einem Silika-Nanopartikel in der Matrix zu vernetzen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin: das metallische Substrat (14) keinem Elektroabscheidungs- (ELPO) Vorgang unterzogen wird; das Auftragen der Grundierungsbeschichtungsvorstufe beinhaltet das Eintauchen des metallischen Substrats (14) in einen Tank, der die Grundierungsbeschichtungsvorstufe enthält; das Auftragen der Basisbeschichtung (18) beinhaltet das Sprühen der Basisbeschichtung (18) über die Grundierungsbeschichtungsvorstufe, nachdem die Grundierungsbeschichtungsvorstufe auf dem metallischen Substrat (14) aufgebracht worden ist; und das Auftragen der Klarbeschichtungsvorstufe beinhaltet das Sprühen der Klarbeschichtungsvorstufe über die Basisbeschichtungsvorstufe, nachdem die Basisbeschichtungsvorstufe über der Grundierungsbeschichtungsvorstufe aufgebracht worden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Erhitzen des metallischen Substrats (14) das Positionieren des metallischen Substrats (14) in einem Ofen, nach dem Auftragen der Grundierungsbeschichtungsvorstufe, der Basisbeschichtungsvorstufe und der Klarbeschichtungsvorstufe und Erhitzen des metallischen Substrats (14) unter Verwendung des Ofens beinhaltet.
Beschichteter Gegenstand (12), umfassend: ein metallisches Substrat (14); eine mit dem metallischen Substrat (14) verbundene Grundierungsbeschichtung (16), wobei die Grundierungsbeschichtung (16) beinhaltet: vernetzte Silika-Partikel; und eine Vielzahl von Kapseln (24, 24'), worin jede Kapsel (24, 24') eine Schale (28) und ein Heilmittel, das durch die Schale (28) umgeben ist, beinhaltet, worin die Schale (28) mit den vernetzten Silika-Partikeln chemisch kompatibel ist; eine Basisbeschichtung (18), die über der Grundierungsbeschichtung (16) angeordnet ist, worin die Grundierungsbeschichtung (16) zwischen dem metallischen Substrat (14) und der Basisbeschichtung (18) angeordnet ist; und eine Klarbeschichtung (20), die über der Basisbeschichtung (18) angeordnet ist, worin die Basisbeschichtung (18) zwischen der Klarbeschichtung (20) und der Grundierungsbeschichtung (16) angeordnet ist, worin die Vielzahl der Kapseln (24, 24') eine Mischung aus ersten und zweiten Kapseln (24, 24') beinhaltet, worin die ersten Kapseln (24) ein Alkydharz als ein erstes Heilmittel und die zweiten Kapseln (24') einen Katalysator oder ein Härtungsmittel des Alkydharzes als ein zweites Heilmittel beinhalten oder die ersten Kapseln (24) ein Vinyl-terminiertes Polydimethylsiloxan-Harz als ein erstes Heilmittel und die zweiten Kapseln (24') ein Härtungsmittel des Vinyl-terminierten Polydimethylsiloxan-Harzes als ein zweites Heilmittel beinhalten oder die ersten Kapseln (24) ein Harz mit reaktiven chemischen Gruppen als ein erstes Heilmittel und die zweiten Kapseln (24') ein Polyisocyanat-Harz als ein zweites Heilmittel beinhalten.
Beschichteter Gegenstand (12) nach Anspruch 5, worin der beschichtete Gegenstand (12) keine Elektroabscheidungsbeschichtung beinhaltet.